CN102736356B - 一种全加器和全减器的实现方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全加器和全减器的实现方法和装置。该方法利用非线性波导中的三阶非线性效应，对输入的三个信号光进行处理，得到全加器和全减器的输出；该装置包括第一至第六光波分复用器、第一至第三非线性波导、第一至第三偏振控制器、检偏器和第一、第二光波分解复用器。相比于其他实现全光全加器和全减器的装置，本发明利用三个非线性波导，对输入的三路信号光进行处理，实现了全加和全减的逻辑操作。采用超快响应的非线性效应，适用于高速信号光的处理和计算。本发明的方法和装置简单易实现，可以工作在高速情况下。本发明将两个波长共同携带的逻辑信息转换至单个波长的波长转换过程可以恢复信号的质量，可以提高全加器和全减器输出信号的消光比，有利于其在光通信系统中的应用。

Description

一种全加器和全减器的实现方法和装置

技术领域

本发明涉及一种对光信号实现全加和全减逻辑运算的可用于全光计算和全光通信等领域的方法和装置，属于全光逻辑门领域的技术。

背景技术

21世纪人们对信息的需求与日俱增，对网络的传输容量和信息处理速率有更高的要求。全光网络能够提供高速大容量的传输以及处理能力，可以突破现有网络光电光转换的速率瓶颈。全光计算在全光网络中扮演着重要角色，而全光全加器和全减器是实现全光算术运算的关键器件，因而获得越来越多的关注。

目前为止，全光全加器和全减器主要是基于半导体光放大器中的交叉增益调制(文献1，L.Lei，et.al，″Reconfigurable photonic full-adder andfull-subtractor based on three-input XOR gate and logic minterms″，Electron.Lett.48，399，2012)和周期极化反转铌酸锂中的二阶非线性效应(文献2，J.Shen，et.al，″All-Optical Full-Adder Based on Cascaded PPLN Waveguides″，J.Quantum Electron.47，1195，2011)，但是它们的结构都比较复杂，且需要四个半导体光放大器或者五个周期极化反转铌酸锂级联。如果可以找到一种实现全光全加器和全减器的方法和装置，其具有简单易实现的特点，则对于实现全光计算将具有重要价值。

对两个一位二进制数及来自低位的进位进行相加，产生本位和及向高位进位的逻辑电路称为全加器。全加器有三个输入端X、Y和Z，二个输出端S和C，输出端S和C的逻辑表达式如下：

$S=X\⊕Y\⊕Z;$ $C=X\·Y+(X\⊕Y)\·Z$

在该逻辑表达式中，X和Y是加数和被加数，Z是低位向本位的进位，C是本位向高位的进位，S是本位全加和。

对两个一位二进制数及来自低位的借位进行相减，产生本位差及向高位借位的逻辑电路称为全减器。全减器也有三个输入端X、Y和Z，二个输出端D和B。输出端D和B的逻辑表达式如下：

$D=X\⊕Y\⊕Z;$ $B=\stackrel{\‾}{X}\·Y+\left(\stackrel{\‾}{X\⊕Y}\right)\·Z$

在该逻辑表达式中，X和Y是被减数和减数，Z是低位向本位的借位，B是本位向高位的借位，D是本位全减差。

发明内容

本发明的目的是提供一种全加器和全减器的实现方法和装置；本发明利用非线性波导中的三阶非线性效应，对输入的三个信号光进行处理，得到全加器和全减器的输出；本发明的方法和装置简单易实现，可以工作在高速情况下。

本发明提供的一种全加器和全减器的实现方法，其特征在于，该方法包括下述过程：

第1步将两个输入信号输入一个具有三阶非线性效应的非线性波导里面，两个输入信号分别记为X信号和Y信号，经过四波混频非线性相互作用两信号会产生衰减，X信号和Y信号衰减后分别得到和两个信号，并同时会产生新的波长的信号X·Y；

(2)将步骤(1)得到的两个信号和共同携带的信息通过交叉相位调制效应引起的偏振旋转过程转换给单波长(λ_clock)信号，转换后的信号用来表示；

(3)将步骤(2)得到的单波长信号和另一个新的信号即Z信号输入到另一个具有三阶非线性效应的非线性波导里，信号和Z信号经过四波混频非线性相互作用会产生衰减，得到信号和同时产生新的波长的信号，即

(4)将步骤(3)得到的信号和组合得到即为全加器的本位和信号，同时也是全减器的本位全减差；并将步骤(1)得到的X·Y和步骤(3)得到的组合得到全加器的进位信号将步骤(1)得到的和将步骤(3)得到的组合得到全减器的借位信号

本发明提供的一种全加器和全减器的实现装置，其特征在于，该装置包括第一光波分复用器、第一非线性波导、第一偏振控制器、第一光波分解复用器、第二偏振控制器、第一光分束器、第三偏振控制器、第二光波分复用器、第二非线性波导、检偏器、第三光波分复用器、第三非线性波导、第二光波分解复用器、第二光分束器、第四光波分复用器、第五光波分复用器和第六光波分复用器；

第一光波分复用器用于将输入信号X信号光和Y信号光合并为一路信号，第一光波分复用器的输出端口与第一非线性波导的输入端口连接，第一非线性波导的输出端口的信号被第一光波分解复用器的输入端口接收，第一光波分解复用器的三个输出端信号为和X·Y；第一光波分解复用器的信号输出端与第一光分束器的输入端口连接，信号通过光分束器分为等功率的两束光，第一光分束器的第一个输出端和第一光波分解复用器的信号输出端分别与第三偏振控制器和第二偏振控制器的输入端口连接，第一偏振控制器的输入端口接收时钟信号，第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器的输出信号被第二光波分复用器的输入端口接收，第二非线性波导的输入端口与第二光波分复用器的输出端口连接，而第二非线性波导的输出端口的信号被检偏器的输入端口接收，检偏器的输出端口和Z信号端口与第三光波分复用器的输入端口连接，第三光波分复用器的输出端口与第三非线性波导的输入端口连接，第三非线性波导的输出端信号被第二光波分解复用器的输入端口接收，第二光波分解复用器三个输出端信号分别为和第二光波分解复用器的信号输出端与第二光分束器的输入端口连接，信号通过第二光分束器分为等功率的两束光，第二光分束器的第一个输出端和第二光波分解复用器的信号输出端与第四光波分复用器的输入端口连接，第四光波分复用器的输出端信号即为S(D)，第一光分束器的第二个输出端和第二光分束器的第二个输出端与第五光波分复用器的输入端口连接，第五光波分复用器的输出端信号即为B，第一光波分解复用器的X·Y信号输出端和第二光波分解复用器的信号输出端和第六光波分复用器的输入端口连接，第六光波分复用器的输出端信号即为C。

本发明利用三个非线性波导，对输入的三路信号光进行处理，可以同时实现全加和全减的逻辑操作。具体而言，本发明具有如下有益效果：

1、相比于其他实现全光全加器和全减器的装置，本发明仅仅采用三个非线性波导，为实现全光全加器和全减器提供了一种新的思路方法和装置，方法简单易实现，操作简便。

2、本发明所述全加器和全减器的实现方法和装置，采用超快响应的非线性效应，适用于高速信号光的处理和计算，比如40Gbit/s、160Gbit/s甚至更高速率。

3、本发明将两个波长共同携带的逻辑信息转换至单个波长的波长转换过程可以恢复信号的质量，可以提高全加器和全减器输出信号的消光比，有利于其在光通信系统中的应用。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为具体实例中所用的缝波导横截面示意图；

图3为具体实例中非线性波导中四波混频效应示意图；

图4为具体实例中非线性波导中交叉相位调制示意图；

图5为具体实例中模拟的时域波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种全加器和全减器的实现方法，其产生过程为：

(1)将两个输入信号(记为X信号和Y信号)输入一个具有三阶非线性效应的非线性波导里面，由于四波混频非线性相互作用，X信号(波长为λ_X)和Y信号(波长为λ_Y)会产生衰减，X信号和Y信号衰减后得到(波长为λ_X)和(波长为λ_Y)两个信号，并同时会产生新的波长的信号X·Y。

(2)将步骤(1)得到的两个信号和共同携带的信息(即)通过交叉相位调制效应引起偏振旋转的波长转换过程复制给波长为λ_clock的单波长信号，转换后所得单波长(λ_clock)信号可以用来表示。

(3)将步骤(2)得到的单波长信号和另一个新的信号(记为Z信号)输入到另一个具有三阶非线性效应的非线性波导里，由于四波混频非线性相互作用，信号和Z信号会产生衰减得到信号和同时产生新的波长的信号，即

(4)将步骤(3)得到的信号和组合得到即为全加器的本位和信号，同时也是全减器的本位全减差；并将步骤(1)得到的X·Y和将步骤(3)得到的组合得到全加器的进位信号；将步骤(1)得到的和将步骤(3)得到的组合得到全减器的借位信号。换句话说，全加器的本位和信号、全加器的进位信号、全减器的本位差信号以及全减器的借位信号都可以通过将非线性波导输出的信号进行组合而得到。所以，本发明的方法可以同时实现全加器和全减器。

如图1所示，本发明实例提供的一种全加器和全减器的实现装置，该装置包括第一光波分复用器1、第一非线性波导2、第一偏振控制器3、第一光波分解复用器4、第二偏振控制器5、第一光分束器6、第三偏振控制器7、第二光波分复用器8、第二非线性波导9、检偏器10、第三光波分复用器11、第三非线性波导12、第二光波分解复用器13、第二光分束器14、第四光波分复用器15、第五光波分复用器16和第六光波分复用器17。

第一非线性波导2、第二非线性波导9和第三非线性波导12可以是缝波导、条形波导、脊型波导、光子晶体光纤或高非线性光纤等具有三阶非线性效应的波导，第一非线性波导2、第二非线性波导9和第三非线性波导12可以是同种类型的波导，也可以是上述类型波导的组合。

X信号光和Y信号光通过第一光波分复用器1合并为一路信号，第一光波分复用器1的输出端口与第一非线性波导2的输入端口连接，第一非线性波导2的输出端口的信号被第一光波分解复用器4的输入端口接收，第一光波分解复用器4的三个输出端信号为和X·Y。第一光波分解复用器4的信号输出端与第一光分束器6的输入端口连接，信号通过光分束器分为等功率的两束光，第一光分束器的第一个输出端和第一光波分解复用器4的信号输出端分别与第三偏振控制器7和第二偏振控制器5的输入端口连接，第一偏振控制器3的输入端口接收时钟信号，第一偏振控制器3、第二偏振控制器5和第三偏振控制器7的输出信号被第二光波分复用器8的输入端口接收，第二非线性波导9的输入端口与第二光波分复用器8的输出端口连接，而第二非线性波导9的输出端口的信号被检偏器10的输入端口接收，检偏器10的输出端口和Z信号端口与第三光波分复用器11的输入端口连接，第三光波分复用器11的输出端口与第三非线性波导12的输入端口连接，第三非线性波导12的输出端信号被第二光波分解复用器13的输入端口接收，第二光波分解复用器13三个输出端信号分别为 和第二光波分解复用器13的信号输出端与第二光分束器14的输入端口连接，信号通过第二光分束器分为等功率的两束光，第二光分束器的第一个输出端和第二光波分解复用器13的信号输出端与第四光波分复用器15的输入端口连接，第四光波分复用器15的输出端信号即为S(同时也为D)，第一光分束器6的第二个输出端和第二光分束器14的第二个输出端与第五光波分复用器16的输入端口连接，第五光波分复用器16的输出端信号即为B，第一光波分解复用器4的X·Y信号输出端和第二光波分解复用器13的信号输出端和第六光波分复用器17的输入端口连接，第六光波分复用器17的输出端信号即为C。

实例：

在本实施例中，具有三阶非线性效应的非线性波导2、9、12选用缝波导(该波导横截面如图2所示)，三个缝波导的长度均为5mm，宽度为250nm，在缝波导横截面结构中18和20是硅材料，其厚度为300nm；19是硅纳米晶材料，厚度为50nm；21是用二氧化硅制作而成的衬底，厚度为2μm。

当X和Y两个输入信号输入到第一缝波导2中时，在该波导中X和Y当满足相位匹配条件时会产生四波混频效应(如图3所示)，X和Y的光功率会转移到新产生的两个闲频光上面，选择合适的输入条件可以使得X和Y的光功率衰减掉，X信号和Y信号衰减后得到(波长为λ_X)和(波长为λ_Y)两个信号。而由四波混频产生的闲频光则只有在X和Y同时存在的时候才出现，所以闲频光可以当做X·Y。第一缝波导2输出的信号经过第一光波分解复用器处理得到的和信号和另外一个时钟信号输入到第二缝波导9中时，通过第一偏振控制器3调节时钟信号的偏振方向与检偏器10通光方向夹角为90度，调节第二偏振控制器5和第三偏振控制器7使和的偏振方向相同，且和时钟信号偏振方向夹角45度。这样，可以将时钟信号在与两信号平行和正交的方向上进行投影以得到两个大小相等的投影分量。当为逻辑1时，两信号对时钟信号两个投影分量会产生不同的交叉相位调制效应即引入不同的非线性相移，若时钟信号两个投影分量引入了π相对相移，则时钟信号的偏振方向会旋转90度(如图4所示)，刚好和放置在第二缝波导9之后检偏器10的通光方向一致，故时钟信号可以通过检偏器10，从而时钟信号输出也为逻辑1；当为逻辑0时，时钟信号的偏振方向不会旋转，与放置在缝波导9之后的检偏器10的通光方向垂直，从而时钟信号无法通过检偏器，输出也为逻辑0。因此，利用交叉相位调制引起的非线性偏振旋转，缝波导9可以将两个波长信号和共同携带的逻辑信息转换至单个波长上即缝波导9的输出信号可以用表示(波长λ_clock)。第三个输入信号Z(λ_Z)和单波长的输入到缝波导12，由于非线性效应，Z信号和信号会产生衰减得到信号和同时产生新的波长的信号，即将信号和通过第四光波分复用器15复用，得到就是全加器的本位和S(或者全减器的本位差D)。通过用第五光波分复用器16将缝波导2的输出X·Y以及缝波导12的输出进行复用，从而得到了全加器的进位输出C。全减器的借位输出B则可以通过用第六光波分复用器17将缝波导2的输出以及缝波导12的输出进行复用而得到。

图5所示为全加器和全减器的三个输入X、Y和Z和四个输出S、D、C和B的时域波形图。模拟所用的信号光X、Y和Z是三路160Gbit/s的伪随机序列(PRBS)归零码(RZ)信号，X、Y和Z的波长分别为1551nm，1555nm和1547nm，三路信号的峰值功率均为250mw，时钟信号的峰值功率为10mw。在模拟的时候，当输入信号光X是“00001111...”脉冲序列，输入信号光Y是“00110011...”脉冲序列，输入信号光Z是“01010101...”脉冲序列时，我们得到全加器的两个输出S是“01101001...”脉冲序列，C是“01000001...”脉冲序列，这和下面的全加器真值表相吻合，所以全加器的功能能够得以实现；而全减器的两个输出D是“01101001...”脉冲序列，B是“01110001...”脉冲序列，这和下面的全减器真值表相吻合，所以全减器的功能也得以实现。

综上所述，本发明基于三个非线性波导中的四波混频效应和交叉相位调制效应实现了全加器和全减器。本发明中全加器的本位和输出端消光比大于15dB，进位输出端消光比大于17dB；全减器的本位差输出端消光比大于15dB，借位输出端消光比大于18dB。全加器和全减器的性能优良，且制作简单，在光通信中有望获得良好的应用。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计(如用来实现四位全加器或全减器或者BCD码加法器，或者非线性波导选用其它结构)，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种全加器和全减器的实现方法，其特征在于，该方法包括下述过程：

(1)将两个输入信号输入一个具有三阶非线性效应的非线性波导里面，两个输入信号分别记为X信号和Y信号，经过四波混频非线性相互作用两信号会产生衰减，X信号和Y信号衰减后分别得到和两个信号，并同时会产生新的波长的信号X·Y；

(2)将步骤(1)得到的两个信号和共同携带的信息即通过交叉相位调制效应引起的偏振旋转过程转换给单波长λ_clock信号，转换后的信号用来表示；

(3)将步骤(2)得到的单波长信号和另一个新的信号即Z信号输入到另一个具有三阶非线性效应的非线性波导里，信号和Z信号经过四波混频非线性相互作用会产生衰减，得到信号和同时产生新的波长的信号，即

(4)将步骤(3)得到的信号和组合得到即为全加器的本位和信号，同时也是全减器的本位全减差；并将步骤(1)得到的X·Y和步骤(3)得到的组合得到全加器的进位信号即将步骤(1)得到的和将步骤(3)得到的组合得到全减器的借位信号即

2.一种全加器和全减器的实现装置，其特征在于，该装置包括第一光波分复用器、第一非线性波导、第一偏振控制器、第一光波分解复用器、第二偏振控制器、第一光分束器、第三偏振控制器、第二光波分复用器、第二非线性波导、检偏器、第三光波分复用器、第三非线性波导、第二光波分解复用器、第二光分束器、第四光波分复用器、第五光波分复用器和第六光波分复用器；

第一光波分复用器用于将输入信号X信号光和Y信号光合并为一路信号，第一光波分复用器的输出端口与第一非线性波导的输入端口连接，第一非线性波导的输出端口的信号被第一光波分解复用器的输入端口接收，第一光波分解复用器的三个输出端信号为和X·Y；第一光波分解复用器的信号输出端与第一光分束器的输入端口连接，信号通过第一光分束器分为等功率的两束光，第一光分束器的第一个输出端和第一光波分解复用器的信号输出端分别与第三偏振控制器和第二偏振控制器的输入端口连接，第一偏振控制器的输入端口接收时钟信号，第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器的输出信号被第二光波分复用器的输入端口接收，第二非线性波导的输入端口与第二光波分复用器的输出端口连接，而第二非线性波导的输出端口的信号被检偏器的输入端口接收，检偏器的输出端口和Z信号端口与第三光波分复用器的输入端口连接，第三光波分复用器的输出端口与第三非线性波导的输入端口连接，第三非线性波导的输出端信号被第二光波分解复用器的输入端口接收，第二光波分解复用器三个输出端信号分别为和第二光波分解复用器的信号输出端与第二光分束器的输入端口连接，信号通过第二光分束器分为等功率的两束光，第二光分束器的第一个输出端和第二光波分解复用器的信号输出端分别与第四光波分复用器的输入端口连接，第四光波分复用器的输出端信号即为S，同时也为D，S是指本位全加和，D是指本位全减差，第一光分束器的第二个输出端和第二光分束器的第二个输出端分别与第五光波分复用器的输入端口连接，第五光波分复用器的输出端信号即为B，B是指本位向高位的借位，第一光波分解复用器的X·Y信号输出端和第二光波分解复用器的信号输出端分别与第六光波分复用器的输入端口连接，第六光波分复用器的输出端信号即为C，C是指本位向高位的进位。

3.根据权利要求2所述的全加器和全减器的实现装置，其特征在于，第一非线性波导、第二非线性波导和第三非线性波导是包括缝波导、条形波导、脊型波导、光子晶体光纤或高非线性光纤在内的具有三阶非线性效应的非线性波导器件。